JP2017097146A - 円筒形回転体、その製造方法、及び定着装置 - Google Patents

円筒形回転体、その製造方法、及び定着装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高トルク下で薄肉ローラを回転駆動する際にキー溝部に応力が集中してローラが破損してしまう。また、螺旋状の励磁コイルの中に磁力線を誘導するためのコアを備えた定着装置において、非通紙領域が発熱や定着ローラ端部に設けた駆動ギア取り付け形状で迂回電流による局所発熱が生じ、熱による強度低下により定着ローラや駆動部材が破損してしまう。【解決手段】端部に駆動ギア4を設けた薄肉パイプローラ1において、駆動ギア4にキー形状部4aを、ローラ1にキー形状部4aと係合する穴形状部1dと穴形状部1dのローラ周回方向前後の隣り合う位置にローラ端面1eまで到達した複数のスリット形状部1fを設け、ローラ1に駆動ギア4を取り付ける際には、ローラ1の穴形状近傍1hをラジアル方向に撓ませて駆動ギア4のキー形状部4aをローラ1の穴形状部1aに係合する。【選択図】図1

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置の定着ローラ等として用いられる薄肉パイプを用いた円筒形回転体(ローラ状部材)に関する。特に、端部にギア等の駆動部材を取り付けるための構造に関する。また、この円筒形回転体の製造方法、及びこれを用いた定着装置に関する。
電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置の一般的なものは、加熱しながら回転する定着ローラと、それに所定の加圧力で接触する加圧ローラとを有する。そして、定着ローラと加圧ローラとで形成されたニップ部に未定着トナー像を担持した記録材を搬送しながら加熱してトナー像を記録材に定着する。
従来の薄肉パイプを用いた定着ローラの構成では、駆動ギアを定着ローラ端部に固定している。具体的には、駆動ギアの内側にキー形状部を1カ所設けるとともに定着ローラの端部にキー溝形状部を1カ所設け、キー形状部とキー溝形状部の挿しこみ嵌合により駆動ギアを定着ローラに取り付けている。
また、近年、薄肉定着ローラの導電層を直接発熱させることができる電磁誘導加熱方式の定着装置が開発され実用化されている。電磁誘導加熱方式の定着装置は、熱容量の小さい薄肉定着ローラを加熱するため、ウォームアップ時間を短く出来るという利点がある。
特許文献1に開示されている定着装置は、定着ローラの導電層を、磁束を通しやすい鉄やニッケル等の磁性金属で構成し、定着ローラの内側に軸線方向に螺旋状の励磁コイルを配置させ、磁界発生手段から発生した磁束を定着ローラの導電層に誘導する。定着ローラの導電層に誘導された磁束は、主に導電層内部に渦電流を発生させることにより、定着ローラをジュール発熱することが出来る。
また、特許文献2に開示されている定着装置は、定着ローラの内側に軸線方向に螺旋状の励磁コイルを配置させ、螺旋状の励磁コイルの中に磁力線を誘導するためのコアを備え、コイルから発生した磁束を定着ローラの導電層を通らないように誘導する。
つまり、定着装置を磁気回路に見立て、定着ローラ長軸方向への磁気の通りやすさの指標である、「長手方向の磁気抵抗」において、「磁性コアの長手方向の磁気抵抗」は十分小さくする。かつ、定着ローラと定着ローラの内側の長手方向の磁気抵抗が十分大きい状態」を実現する。
それにより、コアに磁束が集中し定着ローラと定着ローラの内側に磁束が通らない磁路設計を施すことが出来る。定着ローラの導電層には、周回方向の起電力がかかり、周回電流によって効率的にジュール発熱することが出来る。この方法は特許文献1の方法に比べて、定着ローラの導電層に磁束を誘導する必要がないため、導電層の厚みや材質の制約が少ないというメリットがある。
ところで、定着装置は記録材(紙等)を加熱することを目的としているため、記録材の通過しない、所謂非通過領域(非通紙領域)の発熱は極力少なくすることが望ましい。特許文献3では、非通過領域の発熱を抑制するために、加熱回転体の導電層の記録材非通過部に軸線方向にスリットを設ける構成が提案されている。
特開2000−81806号公報 特開2014−26267号公報 特開2003−330291号公報
しかしながら、従来の定着ローラの構成では、駆動ギアに駆動を伝達するギアとの噛みあいによって駆動ギアが回転すると、定着ローラ端部のキー溝部において溝幅が広がる方向に変形するように応力が生じる。
この応力は、定着ローラ回転方向のキー面がキー溝端面をめくり上げ、キー溝を押し広げるように作用するため、強度不足により破損しやすくなる。また、定着ローラ端部から離れたキー溝面ではキー溝をめくり上げようとする力によって亀裂が入り易くなる。そのため、定着ローラの強度を上げるために肉厚を厚くする対応がとられる。しかし、定着ローラの肉厚を厚くすると熱容量が増大することにより、ウォームアップ時間が長くなり、消費電力が増大する。
また、導電層の記録材非通過領域の発熱抑制に関して、特許文献1や特許文献3に開示されている定着装置のように、コイルから発生した磁束を定着ローラの導電層に誘導し、導電層内部に渦電流を発生させる定着装置の場合、特に問題は発生しない。しかし、特許文献2に示すような、コアに集中した磁束によって、定着ローラの導電層には周回方向の起電力が発生し、周回電流を発生させる定着装置においては、以下のような問題が発生する。
定着ローラの導電層の記録材非通過部に軸線方向にスリットを設けた状態で、定着ローラの導電層に周回方向の起電力をかけると、誘導電流はスリット部分を避けて迂回して通る。迂回した誘導電流(以下、迂回電流と呼ぶ)は、結果的にスリット端部に集中してしまう。よって、迂回電流によって電流が集中した部分は局所的に大きく発熱し、スリットの内側端部だけ温度が高くなってしまう。
導電層の記録材非通過部の発熱や迂回電流による局所発熱により駆動ギアのキー部が熱による強度低下で破損する恐れがある。スリットを周回方向に多数設けることにより、この迂回電流による電流集中を緩和することは可能であるが、定着ローラ端部の機械的強度を低下させてしまう恐れがある。特に、定着ローラの端部にギア等の駆動部材を設け、駆動回転する定着装置においては、機械的強度が低下すると定着ローラの破損等の問題に繋がる可能性がある。
本発明の目的は上記のような課題を解消することにある。
上記の目的を達成するための本発明に係る円筒形回転体の代表的な構成は、円筒部材と前記円筒部材の少なくとも一方の端部に設けられ前記円筒部材を回転駆動するための駆動部材とを有する円筒形回転体であって、前記駆動部材は前記円筒部材の回転方向に前記円筒部材を押すことで前記円筒部材を回転させる駆動力を付与するキー形状部を有し、前記円筒部材は前記キー形状部と係合して前記キー形状部から駆動力を受ける穴形状部と円筒部材周方向において前記穴形状部と隣り合う位置に前記円筒部材の端面まで到達したスリット形状部を有することを特徴とする。
また、上記の目的を達成するための本発明に係る円筒形回転体の製造方法の代表的な構成は、前記円筒形回転体の製造方法であって、前記円筒部材に前記駆動部材を取り付ける際には、前記円筒部材の前記穴形状部の近傍をラジアル方向に撓ませて前記キー形状部を前記穴形状部に係合させるステップを有することを特徴とする。
また、上記の目的を達成するための本発明に係る定着装置の代表的な構成は、前記円筒形回転体と、前記円筒形回転体の前記円筒部材を加熱する加熱部材と、を備え、前記円筒部材の熱により記録材上の画像を加熱することを特徴とする。
また、上記の目的を達成するための本発明に係る定着装置の他の代表的な構成は、前記円筒形回転体であって前記円筒部材が導電層を有する円筒形回転体と、前記円筒部材の内部に配置され、前記円筒部材の母線方向と平行に螺旋形状部を有し、前記導電層を電磁誘導発熱させる交番磁界を形成させるコイルと、前記コイルの螺旋形状部の中に配置された前記交番磁界の磁力線を誘導するためのコアと、を備え、前記円筒部材の熱により記録材上の画像を加熱することを特徴とする。
本発明によれば、高トルク下においても円筒形回転体を回転駆動する構成が実現できる。また、円筒形回転体の薄肉化によりウォームアップ時間の短縮や消費電力の削減をした定
着装置を提供することができる。更に、円筒形回転体の端部に設けた駆動部材の取り付け形状により記録材の非通過領域の発熱抑制、駆動部材の取り付け形状の局所発熱を防止した電磁誘導加熱方式の定着装置を提供することができる。
(a)は定着ローラの駆動側と駆動ギアとの分解斜視図、(b)は定着ローラの非駆動側とローラキャップとの分解斜視図 画像形成装置の一例の概略構成図 (a)は本実施例の定着装置の要部の概略の正面模式図、(b)は同縦断正面図 (a)は図3の(a)の(4)−(4)線矢視の拡大断面模式図、(b)は定着ローラの層構成模式図、(c)は加圧ベルトの層構成模式図 (a)は加熱ユニットの外観斜視図、(b)は定着ローラの外観斜視図 (a)は定着ローラを切欠いて内部のIHヒータユニットを見せた図、(b)は駆動ギアの取り付け要領の説明図、(c)は駆動ギアの他の取り付け形態の説明図 電磁誘導加熱装置の磁力線の説明図 スリットが入っていない導電層の周回電流の説明図 スリットが有る導電層の周回電流の説明図 図9の(b)の等価回路図 スリットが有る導電層の迂回電流の説明図 複数のスリットあるいは複数のスリットと複数の穴部が有る導電層の周回電流の説明図 発明の効果をより効果的に発揮させるための望ましい構成の説明図 迂回電流の状態説明図
《実施例1》
(1)画像形成装置例
図2は本実施例の定着装置(定着ユニット)Fを備えた画像形成装置の一例の概略構成図である。この画像形成装置20は電子写真方式のフルカラーレーザービームプリンタであり、プリンタ構成自体は公知に属するからその説明は簡単にとどめる。
画像形成装置20は4つの作像ユニットU(UY・UM・UC・UK)と、レーザースキャナユニット26と、中間転写ベルトユニット27を有する。各作像ユニットUは、それぞれ、感光体ドラム21、帯電ローラ22、現像器23、一次転写ローラ24、クリーニング器25等を有する。なお、図の煩雑を避けるため、作像ユニットUY以外の作像ユニットUM・UC・UKにおけるこれらの機器に対する符号の記入は省略した。
各作像ユニットUの回転するドラム21には、それぞれ、イエロー(Y)色、マゼンタ(M)色、シアン(C)色、ブラック(K)色のトナー像が電子写真プロセスにより形成される。そして、各作像ユニットUのドラム21から回動する無端状の中間転写ベルト28に対して上記4色のトナー像が順次に所定に重畳されて一次転写される。これにより、ベルト28上に未定着のフルカラーのトナー像が形成される。
一方、記録材カセット29内の記録材(用紙)Pが給送ローラ30により1枚分離給送されてレジストローラ対31によりベルト28と二次転写ローラ32との圧接部である二次転写ニップ部に対して所定の制御タイミングで導入される。これにより、ベルト28上のトナー像が記録材Pに対して二次転写される。
二次転写ニップ部を出た記録材Pはベルト28から分離されて定着装置Fに導入される。記録材上のトナー像は定着装置Fにおいて加熱、加圧されることによって定着される。画像定着を受けた記録材Pは搬送ローラ対33に中継ぎされて排出ローラ対34によってフルカラー画像形成物として排出トレイ35へ排出される。
<定着装置>
図3の(a)は本実施例における定着装置Fの要部の概略の正面模式図(記録材の入口側から見た図)、(b)は同縦断正面図である。図4の(a)は図3の(a)の(4)−(4)線矢視の拡大断面模式図である。この定着装置Fは電磁誘導加熱方式の画像加熱装置であり、大別して、加熱ユニットAと、加圧ユニットBと、これらを収容した装置筐体C(図2)を有する。図5の(a)は加熱ユニットAの外観斜視図である。
(1)加熱ユニット
加熱ユニットAは、円筒部材(定着部材)としての軸X方向に長い円筒状の定着ローラ(定着スリーブ)1を有する。また、この定着ローラ1の内部に配置された内部部材としての、ローラガイド部材10、ステイ6、および加熱部材(加熱源)としてのIHヒータユニットDを有する。また、定着ローラ1の一方の端部(駆動側)に配設された環状の駆動ギア(本実施例は、はすば歯車)4と、他方の端部(非駆動側)に配設された環状のローラキャップ(キャップ部材)5を有する。
駆動ギア4が定着ローラ1を回転駆動するための駆動部材である。本実施例においては、上記の加熱ユニットAにおいて、定着ローラ1とその定着ローラ1の少なくとも一方の端部に設けられた駆動ギア4とで円筒形回転体が構成されている。
図5の(b)は定着ローラ1の外観斜視図、図4の(b)は定着ローラ1の層構成を示す模式図である。定着ローラ1は薄肉で形成された円筒部材である。本実施例の定着ローラ1は、内側から外側にかけて順に、導電性を有する金属製の円筒状芯金(導電層)1aと、この芯金1aの上に順次に積層された弾性層1bと表面離型層1cとの3層で構成されている。
芯金1aは、例えば厚さ0.1mm〜1.0mmに形成したオーステナイト系ステンレス(SUS)が用いられ、電磁誘導で十分な発熱が得られる固有抵抗値となるよう材質を選択する。弾性層1bは、硬度が20度(JIS−A、1kg加重)のシリコーンゴムで形成され、厚みが0.1mm〜0.8mmである。そして、弾性層上に離型層1cとして厚みが10μm〜50μmのフッ素樹脂チューブを被覆している。
定着ローラ1は、図5の(b)のように、駆動側と非駆動側の両端部側をそれぞれ所定幅にて芯金1aを露出させた芯金露出部1gとしてあり、その両露出部1g・1g間の芯金外周面に対して弾性層1b・表面離型層1cが形成されている。Waは芯金1aの長手幅、Wb,cは弾性層1b及び表面離型層1cを被覆した部分の長手幅、WPは装置に使用可能な最大幅の記録材Pの通過領域幅(通紙領域幅)である。
幅WPは幅Wb,cよりも所定に狭い。芯金1aの幅WPより外側の両端部領域がそれぞれ記録材Pの非通過領域(非通紙領域)となる。従って、定着ローラ1の駆動側と非駆動側の芯金露出部1g・1gは、それぞれ、定着ローラ1の記録材非通過領域(非通紙領域)となる。
ローラガイド10は外面が定着ローラ1の内面に接して定着ローラ1の回転をガイドする、軸X方向に長い、横断面ほぼ半円弧状の樋形部材である。このガイド10は耐熱性、摺動性、低熱伝導性等が求められる。本実施例の構成ではPPS樹脂を採用する。ガイド10の長手方向の一端側と他端側は、それぞれ、後述するように定着ローラ1の内側のほぼ中央部に挿入されて配置されているIHヒータユニットDの一端側と他端側にそれぞれ腕部10aを介して固定されて支持されている。
ガイド10は定着ローラ1の回転をガイドすると共に、後述する加圧ユニットBにおける圧力パッド8から定着ローラ1への加圧をバックアップする役目をしている。ガイド10は定着ローラ1の回転に伴う摺動性を確保するため、ガイド10の表面のうち定着ローラ1の内面と接触する面は、定着ローラ1の内周面に倣う凸曲面で構成される。
ステイ6は、軸X方向に長い、横断面U字形の剛性部材であり、ガイド10に平行に配列されてガイド10の内側に固定されガイド10を支持している。ステイ6はガイド10の補強部材として機能している。
IHヒータユニットDは定着ローラ1を電磁誘導加熱する加熱部材である。図6の(a)は定着ローラ1の一部を切欠いて内部のIHヒータユニットDの一部を見せた図である。IHヒータユニットDは、螺旋軸が定着ローラ1の母線方向と平行(ほぼ平行も含まれる)である螺旋形状部を有し、定着ローラ1の導電層である芯金1aを電磁誘導発熱させる交番磁界を形成する励磁コイル3を有する。また、このコイル3の螺旋形状部の中に配置され、交番磁界の磁力線を誘導する磁性コア2を有する。
コア2は、円柱形状をしており、ローラガイド10の一端側と他端側の腕部10a(図3の(a))により定着ローラ1の内部のほぼ中央部に位置させている。コア2は、コイル3にて生成された交番磁界の磁力線(磁束)を芯金1aの内部(芯金1aとコア2の間の領域)に誘導し、磁力線の通路(磁路)を形成する役割がある。
このコア2の材質は、ヒステリシス損が小さく比透磁率の高い材料、例えば、焼成フェライト、フェライト樹脂、非晶質合金(アモルファス合金)、やパーマロイ等の高透磁率の酸化物や合金材質で構成される強磁性体が好ましい。特に21kHz〜100kHz帯の高周波交流をコイル3に流す場合、高周波電流において損失の小さな焼成フェライトが好ましい。
コア2は、芯金1aの中空部に収納可能な範囲で、断面積をできるだけ大きくすることが望ましい。本実施例ではコア2の直径は5mm〜40mmとし、長手方向の長さ230〜300mmとする。尚、コア2の形状は円柱形状に限定されず、角柱形状などでも良い。
コイル3は、耐熱性のポリアミドイミドで被覆した直径0.5〜2mmの銅線材(単一導線)を、コア2に約10巻〜100巻で螺旋状に巻いて形成する。本実施例ではコイル3の巻き数は16回とする。コイル3は、コア2に定着ローラ1の軸線方向に交差する方向に捲回されている。そのため、このコイル3に高周波電流を流すと、定着ローラ1の軸線方向に平行な方向に交番磁界を発生させることができる。
コア2の一端側は定着ローラ1の駆動側の環状の駆動ギア4から外側に突出している。また、他端側は定着ローラ1の非駆動側の環状のローラキャップ5から外側に突出している。定着ローラ1に対する駆動ギア4とローラキャップ5の取り付け構成については(4)項で詳述する。
加熱ユニットAは、定着ローラ1の駆動側と非駆動側が、それぞれ、図3における位置13Rと13Fにおいて装置筐体Cの駆動側と非駆動側の側板(不図示)に軸受部材(不図示)を介して回転可能に支持された状態で装置筐体Cに対して配設されている。また、定着ローラ1の環状の駆動ギア4とローラキャップ5からそれぞれ外側に突出しているコア2の端部は図3における位置14Rと14Fにおいて装置筐体C側の支持部(不図示)に非回転に固定されて保持されている。
(2)加圧ユニット
加圧ユニットBは定着ローラ1との間で記録材Pを挟持搬送しつつ記録材上の画像Tを加熱するニップ(定着ニップ)Nを形成するニップ形成部材(対向部材)である。本実施例における加圧ユニットBは、軸X方向に長い可撓性を有する円筒状の加圧ベルト7を有する。また、加圧ベルト7の内側に配置された内部部材としての、圧力パッド8、横断面U字形の剛性ステイ9を有する。これらの部材8、9も軸X方向に長い。また、剛性ステイ9の一端側と他端側にそれぞれ装着されたフランジ部材11R・11Fを有する。
加圧パッド8は加圧ベルト7の内面を支持して加圧ベルト7の回転をガイドする部材である。剛性ステイ9はガイド7の内側を支持している。ステイ9の一端側と他端側はそれぞれ加圧ベルト7の一端側と他端側から外側に突出しており、その突出部にそれぞれ一端側と他端側のフランジ部材11R・11Fが装着されている。加圧ベルト7はフランジ部材11R・11Fのフランジ間に位置している。
加圧ベルト7は、単層構造であってもよいが、本実施例では図4の(c)の層構成模型図のように基材7aの表面に離型層7bを施した積層構造のベルトを使用している。基材7aとしては、耐熱性を有する、例えば熱硬化性ポリイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等の樹脂基材が用いられる。また、離型層7bとしては、表面に付着するトナーの剥離性が良好なものがよい。材質としては、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体)等のフッ素系樹脂が用いられる。
加圧パッド8は、主として定着ローラ1と加圧ベルト7との圧接によるニップNを形成するもので、例えばアルミニウム、ステンレス、鋼、銅、黄銅等の金属や合金並びに樹脂材料からなる剛性の高い材料が主として使用される。本実施例では、ガラス強化の液晶ポリマー樹脂を射出成形したものを使用している。そのため、ニップ幅方向(長手方向)に沿って、安定で適度な剛性を実現することができるようになっている。
加圧ユニットBは圧力パッド8を加熱ユニットAのローラガイド10に対向させて定着ローラ1に平行(ほぼ平行も含まれる)に配列されている。そして、一端側と他端側のフランジジ部材11R・11Fが、それぞれ、図3における位置13Rと位置13Fにおいて装置筐体Cの駆動側と非駆動側の側板(不図示)に対して加熱ユニットAに向う方向にスライド移動可能に保持されている。そして、そのフランジジ部材11R・11Fが、それぞれ、一端側と他端側の加圧機構12R・12Fにより所定の加圧力Jにて加熱ユニットAに向う方向に移動付勢されている。
これにより、圧力パッド8が加熱ユニットA側のローラガイド10に対して加圧ベルト7と定着ローラ1を挟んで所定の押圧力にて圧接して定着ローラ1と加圧ベルト7の間に記録材搬送方向aに関して所定幅の定着ニップNが形成されている。
(3)定着動作
制御部40(図3の(a))により制御される駆動モータ(駆動源)Mが駆動されると、その駆動力が駆動力伝達機構側のギア(不図示)を介して駆動ギア4に伝達される。これにより駆動ギア4が回転することで定着ローラ1が図4の(a)において矢印R1の反時計方向に所定の周速度で回転する。
加圧ベルト7は定着ローラ1と定着ニップNを形成しているため定着ローラ1の回転に従動して矢印R7の時計方向に回転する。加圧ベルト7の一端側と他端側の端面は、それぞれ、一端側と他端側のフランジ部材11R・11Fのフランジで規制されている。これにより、加圧ベルト7の回転に伴う軸X方向への寄り移動が規制される。
一方、制御部40により制御される励磁回路(高周波コンバータ)41からIHヒータユニットDのコイル3に対して交流電流が流されることで、コア2が軸X方向に磁化される。この磁化を打ち消すように電磁誘導が起こり、定着ローラ1の芯金1aに周方向に誘導電流が流れる。このとき芯金1aに発生するジュール熱により、定着ローラ1が昇温する。
定着ローラ1の表面温度がサーミスタ(温度検知素子)THにより検知されてその検知温度情報が制御部40にフィードバックされる。制御部40はそのフィードバック情報に基づいて定着ローラ1の表面温度が所定の定着温度に立ち上げられて維持されるように励磁回路41からコイル3への供給電力を制御する。
定着ローラ1の回転が定常化し、また定着ローラ1の表面温度が所定の定着温度に立ち上げられた状態において、画像形成部の側から定着装置Fに未定着のトナー像Tが形成された記録材Pが導入されて定着ニップNで挟持搬送されていく。これにより、定着ニップNにおける熱と圧力により未定着のトナー像Tが記録材Pの面に固着画像として定着される。
(4)定着ローラに対する駆動ギアとローラキャップの取り付け構成
図1の(a)は定着ローラ1の駆動側と駆動ギア4との分解斜視図、(b)は定着ローラ1の非駆動側とローラキャップ5との分解斜視図である。先ず、定着ローラ1の駆動側に対する駆動ギア4の取り付け構成を説明する。
駆動ギア4は定着ローラ1の回転方向R1に定着ローラ1を押すことで定着ローラ1を回転させる駆動力を付与するキー形状部(駆動力付与部)としての爪4aを有する。定着ローラ1はその爪4aと係合して爪4aから駆動力を受ける穴形状部(駆動力受け部)としての穴部1dを有する。また、定着ローラ回転方向(円筒部材回転方向)において穴部1dと隣り合う位置に定着ローラ1の端面1eまで到達したスリット形状部としてのスリット1fを有する。
本実施例においては、定着ローラ1の駆動側の芯金露出部1gに、芯金1aの縁部1eと弾性層1bの縁部の間に、芯金1aの軸線方向に平行な面を有する穴1dが、芯金1aの周方向(円筒部材周方向)にほぼ等間隔をおいて複数設けられている。また、芯金1aの縁部1eより中央部側に、芯金1aの軸方向に軸線を有するスリット1fが穴1dの周方向前後に隣り合うように複数設けられている。
より具体的には、本実施例では、記録材Pの非通過領域である定着ローラ1の駆動側の芯金露出部1gに、幅4.0mmの穴1d及びスリット1fが芯金1aの周方向の8ヶ所に形成されている(穴1d:4ヶ所、スリット1f:4ヶ所)。これにより、芯金1aの記録材非通過領域では縁部を除いて周方向に周面が連続していない構成となっている。
また、本実施例においては、駆動ギア4は定着ローラ1の駆動側の上記のスリット1fに係合して定着ローラ1を押すことで定着ローラ1を回転させる駆動力を付与するキー形状部としてのリブ4bを有する。
このように定着ローラ1の駆動側の端部には駆動部材としての駆動ギア4が、穴1dと爪4aとを係合させて、またスリット1fとリブ4bとを係合させて取り付けられている。そして、この駆動ギア4が駆動力伝達機構側のギア(不図示)と噛みあうことで定着ローラ1に回転駆動力が伝達される。
駆動ギア4は、はすば(ハスバ)歯車で構成されており、回転駆動すると定着ローラ1の軸線において駆動ギア4が配置する方向に駆動力が働くように構成している。即ち、駆動ギア4に駆動力が伝達される時に駆動ギア4と定着ローラ1が一体的に定着ローラ1の軸線方向に寄る構成にしている。
次に定着ローラ1と駆動ギア4の取り付けに関して説明する。図1の(a)に示すように、駆動ギア4の回転中心には定着ローラ1の円筒状芯金1aの外径に対して僅かに大きい円筒穴形状が設けられており、定着ローラ1の駆動側の芯金露出部1gに挿しこみ可能である。駆動ギア4の円筒穴形状の側面には、上記のように、定着ローラ1の芯金露出部1gのキー溝形状である穴1d、及びスリット1fに対向する位置にキー形状部となる爪4a及びリブ4bが複数設けられている。
定着ローラ1に駆動ギア4を取り付ける際には、回転位相をキー形状とキー溝形状に合わせて、駆動ギア4を定着ローラ1の駆動側の芯金露出部1fに挿入する。この場合、図6の(b)に示すように、定着ローラ1の芯金露出部1gの複数の穴部近傍1hをラジアル方向内側に撓ませて押しこんで挿入する。駆動ギア挿入方向において穴1dと爪4aの位置が一致すると、穴部近傍1hの撓みが無くなり、爪4aと穴1dが十分に係合する。
即ち、定着ローラ(円筒部材)1とこの定着ローラ1の少なくとも一方の端部に設けられ定着ローラ1を回転駆動するための駆動ギア(駆動部材)4とを有する円筒形回転体の製造方法においては次のステップを有する。つまり、定着ローラ1に駆動ギア4を取り付ける際には、定着ローラ1の穴形状部1dの近傍1hをラジアル方向に撓ませてキー形状部4aを穴形状部1dに係合させるステップを有する。
駆動ギア4の挿入方向の位置は駆動ギア4のリブ4bの先端4c(図1の(a))が定着ローラ1のスリット1fの根元1iにつき当たることで決まる。また、駆動ギア4の反挿入方向の位置は駆動ギア4の爪4aが定着ローラ1の穴1dの縁側1jにつき当たることで決まる。即ち、スリット1fに係合するリブ4bはスリット1fにおける定着ローラ1の端面1eから最も離れた面1iに当接する位置まで設けられている。また、穴1dに係合する爪4aは穴1dにおける定着ローラ1の端面1eから最も近接する面1jに当接する位置まで設けられている。
そして、定着ローラ1に設けた複数の穴1dとスリット1fに対して駆動ギア4に設けた複数の爪4aとリブ4bが同位相で係合し、複数の位置で駆動ギア4から定着ローラ1に駆動力が伝達される。
このように構成することで、定着ローラ1と駆動ギア4の長手方向の位置関係精度が向上する。そして、定着ローラ1の穴1dやスリット1fと駆動ギア4の爪4aやリブ4bが駆動ギア4の定着ローラ1に対する挿入方向において常に同じ位置で駆動力を伝達することが可能となり、定着ローラ1の穴部が受ける応力が安定して破損を防止することができる。
以下に定着ローラ1と駆動ギア4の取り付け構成とその構成で駆動力を伝達したときに定着ローラ1に生じる最大応力の強度シミュレーション結果を表.1に示す。
強度シミュレーションは、解析ソフトにAbaqusを用いて、弾塑性解析、大変形/有限すべりで計算した結果である。
比較例の定着ローラ/駆動ギアの取り付け構成は、爪4aと穴1dを無しにして、8ヶ所全て係合リブ4bとスリット1fにした取り付け構成である。
表.1から、比較例のように複数のリブ形状のみで駆動力を伝達する構成に対して、本実施構成の方が最大応力が低いことが分かる。尚、この結果は定着ローラ1と駆動ギア4のローラ長手位置関係が所定の位置に固定されているときの結果であり、比較例のリブ形状のみで駆動力を伝達する構成は、ローラ長手方向に対して本実施構成よりも位置バラツキが生じる。その場合、最大応力が更に大きく生じてしまう。
本実施例では、穴1dとスリット1fが各4カ所ずつ円周方向に等間隔で設けた構成の場合に定着ローラ1に生じる応力が最も小さかった。しかし、定着ローラ1の材質、大きさ、厚みによって最適な形状は異なる。そのため、定着ローラ構成の違いにより適宜選択することが望ましい。
本実施例では、駆動ギア4に設けた複数の爪4aとリブ4bで駆動力を伝達しているが、これに限られるものではなく、リブ4bの無い構成や、爪4aと穴1dの数が異なる構成なども同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では定着ローラ1の外側に駆動ギア4を取り付けた構成を説明したが、図6の(c)に示すように、定着ローラ1の内側に駆動ギア4の一部を差し込む構成であってもよい。
次に、図1の(b)を参照して、駆動ギア4が設けられた定着ローラ1の駆動側の端部とは反対側の非駆動側の端部に関して説明する。定着ローラ1は長手方向の中心を境にして略対称形状であり、定着ローラ1の非駆動側の端部の芯金露出部1gには駆動側の端部の芯金露出部1gと同じように穴1dとスリット1fが設けられている。これは、後述する電磁誘導加熱をした際に定着ローラ1の両端部の発熱具合を定着ローラ1の両端部で同じにするためである。同じにすることで、定着ローラ1の記録材の非通過部領域の発熱を抑えることができる。
定着ローラ1の非駆動側の端部の芯金露出部1gには、キャップ部材としてのローラキャップ5が取り付けられている。ローラキャップ5は、図1の(b)に示すように、芯金露出部1gに設けた複数のスリット1fに対してローラキャップ5の内周面に設けた複数のリブ5bが係合する様に構成している。ローラキャップ5の挿入方向の位置はローラキャップ5のリブ5bの先端5cが定着ローラ1のスリット1fの根元1iにつき当たることで決まる。
尚、ローラキャップ5には定着ローラ1の穴1dに係合する爪は無く、定着ローラ1に対して挿しこみ方向に対して着脱自在に構成されている。これは、定着ローラ1の内部に部品を組み立てる時に駆動ギア4やキャップ5が取り付けられていると、挿入スペースが狭くなってしまうためである。ローラキャップ5には駆動ギア4のように高いトルクで駆動力を伝達しないため、回転時に定着ローラ1に生じる応力によって定着ローラ1が破損することは無い。
(5)発熱原理
(5−1)磁力線の形状
本構成の目的とする設計指針は、特許文献2と同様に、定着ローラ1の内側に軸線方向に螺旋状の励磁コイル3を配置させ、コイル3の中に磁力線を誘導するための磁性コア2を備える。そして、磁界発生手段から発生した磁束を定着ローラ(円筒部材)1の導電層1aを通らないように誘導することである。
つまり、定着装置を磁気回路に見立て、定着ローラ1の長軸方向への磁気の通りやすさの指標である、「長手方向の磁気抵抗」において、「磁性コア2の長手方向の磁気抵抗」は十分小さくする。かつ、定着ローラ1の導電層1aを導電層1aの内側の長手方向の磁気抵抗が十分大きい状態」を実現する。
それにより、コア2に磁束が集中し定着ローラ1の導電層1aと導電層1aの内側に磁束が通らない磁路設計を施すことが出来る。定着ローラ1の導電層1aには、周回方向の起電力がかかり、周回電流によって効率的にジュール発熱することが出来る。本方法は特許文献1の方法に比べて、定着ローラ1の導電層1aに磁束を誘導する必要がないため、導電層1aの厚みや材質の制約が少ないというメリットがある。
(5−2)定着ローラの導電層にスリットが入ってない場合の発熱原理
本実施例の発熱原理について、定着ローラ1の導電層1aにスリットが入ってない場合について説明する。
図7の(a)を用いて本実施例の定着装置Fの発熱メカニズムについて説明する。コイル3に交流電流を流して生じた磁力線が筒状の導電層1aの内側のコア2の内部を導電層1aの軸線方向(SからNに向かう方向)に通過し、コア2の一端(N)から導電層1aの外側に出てコア2の他端(S)に戻る。
その結果、導電層1aの内側を導電層1aの軸線方向に貫く磁束の増減を妨げる方向の磁力線を発生させる誘導起電力が導電層1aに生じて導電層1aの周方向に電流が誘導される。この誘導電流によるジュール熱で導電層1aが発熱する。この導電層1aに生じる誘導起電力Vの大きさは、下記の式(1)から導電層1aの内部を通過する単位時間当たりの磁束の変化量(Δφ/Δt)及びコイルの巻き数Nに比例する。
ところで、図7の(a)のコア2はループを形成しておらず端部を有する形状である。図7の(b)のようなコア2が導電層1aの外でループを形成している定着装置における磁力線は、コア2に誘導されて導電層1aの内側から外側に出て内側に戻る。
しかしながら、図7の(a)のようにコア2が端部を有する構成の場合、コア2の端部から出た磁力線を誘導するものはない。そのため、コア2の一端を出た磁力線がコア2の他端に戻る経路(NからS)は、導電層1aの外側を通る外側ルートと、導電層1aの内側を通る内側ルートと、のいずれも通る可能性がある。以後、導電層1aの外側を通ってコア2のNからSに向かうルートを外側ルート、導電層1aの内側を通ってコア2のNからSに向かうルートを内側ルートと呼ぶ。
このコア2の一端から出た磁力線のうち外側ルートを通る磁力線の割合は、コイル3に投入した電力のうち導電層1aの発熱で消費される電力(電力の変換効率)と相関があり、重要なパラメータである。
外側ルートを通る磁力線の割合が増加する程、コイル3に投入した電力のうち導電層1aの発熱で消費される電力の割合(電力の変換効率)は高くなる。この理由は、トランスにおいて漏れ磁束が十分少なく、トランスの1次巻線と2次巻線の中を通過する磁束の数が等しいと電力の変換効率は高くなることと原理は同じである。
つまり、本実施例においては、コア2の内部を通過する磁束と、外側ルートに通過する磁束の数が近い程、電力の変換効率は高くなり、コイル3に流した高周波電流を導電層1aの周回電流として効率よく電磁誘導できることになる。
これは、図7の(a)におけるコア2の内部をSからNに向かう磁力線と、内側ルートを通る磁力線は向きが反対であるから、磁性コア2を含めた導電層1aの内側全体で見ると、これらの磁力線は打ち消しあうことになる。その結果、導電層1aの内側全体をSからNに向かって通過する磁力線の数(磁束)が減り単位時間当たりの磁束の変化量が小さくなる。単位時間当たりの磁束の変化量が減少すると、導電層1aに生じる誘導起電力が小さくなり、導電層の発熱量が小さくなる。
以上述べたことから、本実施例の定着装置Fは必要な電力の変換効率を得るために外側ルートを通る磁力線の割合を管理することが重要になる。
(5−3)円筒形回転体の導電層の等価回路
図8の(a)はスリットが入っていない場合の定着ローラ1の導電層1aの斜視図である。本構成によると、導電層1aに対して周回方向の起電力が掛かることにより、図中矢印に示す方向に周回電流Iが流れる。図8の(a)の等価回路として、円筒形の導電層1aを切り開いて、両端に直列電圧を印加した回路が図8の(b)である。導電層1aの母線方向の長さをL、周回方向における円周長をθ、厚みをd、電気抵抗率をρとすると、導電層1aの全抵抗Rは次の式(2)で表せられる。
故に、図8の(b)の導電層1aに起電力Vが掛かった場合、導電層1a全体の発熱量Wと導電層1aの単位体積当たりの発熱量ωはそれぞれ、式(3)、式(4)と計算できる。
定着ローラ1の導電層1aにスリットが入っている場合の発熱原理
本実施例の発熱原理について、定着ローラ1の導電層1aにスリットが入っている場合について説明する。
(5−4)スリットによって余剰発熱が抑制される原理
本例に示すような導電層1aに流れる周回電流によって加熱される方式の定着装置において、円筒形の定着ローラ1の導電層1aに切り込みが有る場合と無い場合を比較し、スリットがあることによって余剰発熱が抑制される原理を電気回路網計算により示す。
図9の(a)は図1で示した定着ローラ1の導電層1aにスリット1fを入れた場合の模式的斜視図である。この状態において起電力Vが周回方向にかかった時、図中矢印に示す方向に周回電流I’が流れる。図9の(a)の等価回路として、円筒形回転体1の導電層1aを切り開いて、両端に直列電圧を印加した回路が図9の(b)である。
スリット1eの円筒形回転体1の軸線方向におけるスリット深さをa、定着ローラ1の円周方向におけるスリット幅をbとすると、図9の(b)に示すように、導電層1aはA〜Eまでの5つのゾーンに場合分けして考えることができる。このA〜Eまでの5つのゾーンにおける電気抵抗をR〜Rとし、導電層1aにおける周回方向の電流のみが発熱に寄与すると近似すると、図9の(b)は図10の回路図に書き直すことができる。図10における導電層1aの全抵抗R’は式(11)で表せられる。
今切り込み1fの数は1個の為、定着ローラ1の円周方向中央にスリットが位置していると考えると、R〜Rは式(12)〜(14)で表せられる。
式(11)に式(12)〜(14)を代入すると、式(15)のように整理できる。
故に、図10の全抵抗における発熱量、すなわち、図9の(b)の導電層1aに起電力Vが掛かった場合の導電層1a全体の発熱量W’が式(16)と求められる。
同じ起電力Vの場合に、スリット1eが有る場合の発熱量W’式(16)と無い場合の発熱量W(4)を比較すると、式(17)のようになる。
式(17)よりW’<Wが成り立つため、スリットによって余剰発熱が抑制されることが示された。
(5−5)スリット端部で局所発熱が発生する原理
図9の(b)のような回路図を考えた場合、スリット1fがあることによって導電層1a全体の発熱量が減らせることを示した。しかし、一方で、図11に示すようにスリット端部に位置するBゾーンにおいては、DゾーンおよびEゾーンからの迂回電流I’’により電流量が増加することから、Bゾーン右端付近に局所発熱が発生する場合がある。このスリット1fの端部の局所発熱により、定着ローラ、特に駆動ギア4のキー部分の破損等の問題に繋がる可能性がある。
(6)スリット形状によって端部での局所発熱を抑制する方法
図12の(a)に示すように、周回方向に複数のスリット1fを入れることによって、迂回電流I’’の発生を効果的に減少させることが出来る。これにより、電流量の増加から局所発熱を発生させ、定着ローラ1の破損等を防止することが出来る。
スリット1fは多ければ多いほど、迂回電流を減少させる効果は高くなるものの、定着ローラ部品端部の強度を低下させてしまう。そうすると、駆動ギア4から回転力を伝達された場合、溝を押し広げるように力が作用するため、強度不足により破損しやすくなるという問題がある。
(6−1)強度不足を回避する方法
この問題を回避するために、図12の(b)に示すように、定着ローラ1の円筒状芯金1aの軸線方向に平行な面を有する穴1dを複数設け、隣り合うようにスリット1fを複数設ける構成とする。
これによって、強度の低下を最小限にし、かつ効果的に迂回電流を防止することが出来る。この形状は、迂回電流を減少させる効果はスリット8本と同等の効果を持ち、1X部が機械的に接合していることによって強度を十分確保できるというメリットがある。
更に、前述したように、定着ローラ1と駆動ギア4の長手方向の位置関係制度が向上し、定着ローラ1の穴1dやスリット1fと駆動ギア4の爪4aやリブ4bが駆動ギア挿入方向において常に同じ位置で駆動力を伝達することが可能となる。そのため、定着ローラ1の穴部1dが受ける応力が安定して、破損を防止することが出来る。
本効果をより効果的に発揮させるためには、図13に示すように、穴形状部1dの定着ローラ端面1eから穴形状部1dの最も遠い面1kまでの長さをAとする。また、穴形状部1dの定着ローラ端面1eから穴形状部1dの最も近い面1jまでの長さをBとする。そして、スリット形状部1fの定着ローラ端面1eから最も遠い面1iまでの長さをCとする。この場合、A≧C>Bとなることが望ましい。
B>Cとなってしまうと、図14の(a)に示すように点線に示す部分の迂回電流を防止することが出来ない。逆に、C>A>Bとなってしまうと、図14の(b)に示すようにやはり点線に示す部分の迂回電流を防止することが出来ない。よって、すくなくともA≧C>Bとなることが望ましい。
そのため、本実施例では、定着ローラ1の両端部に設けた複数の穴1dとスリット1fを記録材非通過部領域に設けている。また、定着ローラ1は、はすば歯車形状で構成された駆動ギア4によって生じる駆動力によって、回転駆動時は駆動ギア側に寄って回転している。これにより、定着ローラ1とコア2とコイル3の長手位置関係の位置バラツキを抑制し、定着ローラ1の両端部の記録材非通過部領域の発熱具合を同じにすることができ、記録材非通過部領域の昇温を冷却するための手段を簡易化することができる。
これにより、熱容量の低い薄肉パイプローラを使用する場合においても、高い回転トルク下で破損しないギア取り付け形状と、キー溝形状への電流集中による局所発熱と、非通紙部領域の発熱を抑えることができる。従って、ウォームアップ時間の短縮と消費電力を低減した画像形成装置を提供することができる。
即ち、本実施例の円筒形回転体、定着装置の効果をまとめると次のとおりである。
1)円筒形回転体の回転トルクが高い状況においてもキー溝部に集中する応力を分散して円筒形回転体の破損を防止する。
2)円筒形回転体の円筒部材1を薄肉化して熱容量を下げウォームアップ時間の短縮と消費電力の低減を行う。
3)螺旋状の励磁コイルの中に磁力線を誘導するための磁性コアを備えた定着装置において、記録材の非通過領域の発熱を効果的に抑制することが可能である。
4)円筒部材1の端部に設けた駆動ギア取り付け形状で迂回電流による局所発熱を防止する。
5)記録材の非通過領域の発熱や迂回電流による局所発熱により駆動ギアのキー部が破損することを防止する。
《他の実施形態》
1)定着ローラ1を加熱する加熱部材(加熱源)は実施例のIHヒータユニットDに限られない。目的に応じてハロゲンランプ等の他の加熱部材を用いることができる。内部加熱構成に限られず、外部加熱構成にすることもできる。
2)ニップ形成部材としての加圧ユニットBは弾性加圧ローラにすることもできる。
3)定着装置Fは記録材に形成された未定着のトナー像を固着像として加熱定着する装置としての使用に限られない。記録材に一旦定着された或いは仮定着されたトナー像を再度加熱加圧して画像の光沢度を向上させるなどの画像の表面性状を調整する装置としても有効である(このような装置についても定着装置と呼ぶ)。
4)本発明に係る円筒状回転体は、本実施例では、円筒部材としての定着ローラ1に駆動部材としての駆動ギア4を取り付けた構成に関して説明したが、定着ローラ1に限定されるものではない。本発明は円筒部材としての薄肉パイプを用いた全てのローラ部材(円筒状回転体)に適用することができる。
1・・円筒部材(定着ローラ)、4・・駆動部材(駆動ギア)、4a・・キー形状部(爪部)、1d・・穴形状部(穴部)、1f・・スリット形状部(スリット)、4b・・キー形状部(リブ)、1e・・円筒部材の端面

Claims (11)

  1. 円筒部材と前記円筒部材の少なくとも一方の端部に設けられ前記円筒部材を回転駆動するための駆動部材とを有する円筒形回転体であって、
    前記駆動部材は前記円筒部材の回転方向に前記円筒部材を押すことで前記円筒部材を回転させる駆動力を付与するキー形状部を有し、
    前記円筒部材は前記キー形状部と係合して前記キー形状部から駆動力を受ける穴形状部と円筒部材周方向において前記穴形状部と隣り合う位置に前記円筒部材の端面まで到達したスリット形状部を有する
    ことを特徴とする円筒形回転体。
  2. 前記穴形状部が円筒部材周方向において間隔をおいて複数設けられており、前記スリット形状部が円筒部材周方向において前記穴形状部の前後に隣り合うように複数設けられていることを特徴とする請求項1に記載の円筒形回転体。
  3. 前記駆動部材は前記スリット形状部に係合して前記円筒部材の回転方向に前記円筒部材を押すことで前記円筒部材を回転させる駆動力を付与するキー形状部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の円筒形回転体。
  4. 前記スリット形状部に係合する前記キー形状部は前記スリット形状における前記円筒部材の端面から最も離れた面に当接する位置まで設けられており、前記穴形状部に係合する前記キー形状部は前記穴形状部における前記円筒部材の端面から最も近接する面に当接する位置まで設けられていることを特徴とする請求項3に記載の円筒形回転体。
  5. 前記円筒部材の一方と他方の端部のそれぞれに前記穴形状部と前記スリット形状部を有し、前記円筒部材の一方の端部に対して前記キー形状部を有する前記駆動部材が設けられており、他方の端部にはキー形状部を有するキャップ部材が設けられており、前記キャップ部材の前記キー形状部は前記スリット形状部のみに係合していることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の円筒形回転体。
  6. 前記駆動部材ははすば歯車であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の円筒形回転体。
  7. 前記穴形状部の前記円筒部材の端面から最も遠い面までの長さをA、前記穴形状部の前記円筒部材の端面から最も近い面までの長さをB、前記スリット形状部の前記円筒部材の端面から最も遠い面までの長さをCとした場合、A≧C>Bであることを特徴とすることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の円筒形回転体。
  8. 請求項1乃至7の何れか一項に記載の円筒形回転体の製造方法であって、前記円筒部材に前記駆動部材を取り付ける際には、前記円筒部材の前記穴形状部の近傍をラジアル方向に撓ませて前記キー形状部を前記穴形状部に係合させるステップを有することを特徴とする円筒形回転体の製造方法。
  9. 請求項1乃至7の何れか一項に記載の円筒形回転体と、
    前記円筒形回転体の前記円筒部材を加熱する加熱部材と、
    を備え、前記円筒部材の熱により記録材上の画像を加熱することを特徴とする定着装置。
  10. 請求項1乃至7の何れか一項に記載の円筒形回転体であって前記円筒部材が導電層を有する円筒形回転体と、
    前記円筒部材の内部に配置され、前記円筒部材の母線方向と平行に螺旋形状部を有し、前記導電層を電磁誘導発熱させる交番磁界を形成させるコイルと、
    前記コイルの螺旋形状部の中に配置された前記交番磁界の磁力線を誘導するためのコアと、
    を備え、前記円筒部材の熱により記録材上の画像を加熱することを特徴とする定着装置。
  11. 前記円筒部材との間で記録材を挟持搬送しつつ記録材上の画像を加熱するニップを形成するニップ形成部材を有することを特徴とする請求項9又は10に記載の定着装置。
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